飞机装配工艺三维数字化设计

    飞机具有零件数量巨大，外形结构复杂、内部空间紧凑、协调关系复杂、可靠性要求高、研制周期长等特点，作为整个飞机制造过程中的关键和核心的装配工作，直接影响飞机研制的周期和飞机产品最终的质量。随着数字化技术的发展，近年国外的飞机制造企业，在数字化装配技术方面不断迅速发展，以B787、A380、F-35等为代表的新机集中反映了国外飞机数字化装配技术发展趋势。洛克希德一马丁公司在研制JSF战斗机X-35过程中明确提出：采用数字化装配技术，要使JSF飞机装配制造过程的周期缩短67%，工装减少95%，制造成本降低50%。空客公司在飞机研制过程中通过实施数字化设计与制造技术，把产品的试制周期从4年缩短为2.5年。波音公司以Boeing-777为标志，建立了世界第一个全数字化样机。采用产品数字化定义(Digital Product Definition，DPD)、数字化预装配(Digital Preassembly，DPA)和并行工程(Corrcurrent Engineering，CE)，达到比传统方法设计更改和返工减少50%，研制周期缩短50%的显著效果，保证了飞机设计、制造、试飞一次成功。

    国内近年来开展了大量飞机数字化装配技术相关研究。许旭东，陈嵩等通过研究基于模型产品数字化定义(Model-Based Definition，MBD)的三维装配命令(Assembly Order，AO)编制技术，实现了三维工艺设计，确立了基于MBD的产品设计、资源设计与工艺设计技术路线，实现了从面向制造过程设计(DELMIA Process Engineer，DPE)中工艺规划、组件划分、装配仿真等数据的重用；三维AO在现场的应用使装配过程更加直观、清晰，有利于提高产品质量；三维Composer数据更加轻量化，数据应用更加灵活。景武，赵所等采用数字企业精益制造的交互应用(Digital Enterprise LeanManufacturing  Interaction  Application，DELMIA)软件对翼盒、机身段、管路等关键装配过程进行了仿真，发现了大量产品设计、工装设计和工艺设计问题，并提出了工艺优化设计方案。毕利文等在ARJ 21飞机机头装配工艺设计中采用DELMIA，通过DPE工艺规划，数字化制造工艺(Digital Process for Manufacturing，DPM)虚拟装配仿真，结合计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)集成生成了二维工艺报表，从整个过程来看，未对DELMIA进行深度开发定制，没实现对装配数据的管理和直接生成三维装配指令。

    纵观以上研究，尽管在构建数字化装配系统平台上取得了显著效果，但飞机数字化装配工艺设计技术还存在以下问题：①三维工艺设计、仿真及优化技术有待完善；②三维数字化设计与制造系统之间的集成有待加强；③固有的管理模式与生产方式没有按照数字化技术的要求实现再造；④数字化设计、制造基础技术体系缺乏相关规范和标准等，为此，文中采用三维数字化技术在传统工艺设计基础上对飞机装配工艺进行计算机辅助设计，结合飞机装配工艺业务分析在三维数字化环境中进行飞机三维装配工艺整体设计，通过飞机产品工艺分离面划分与物料清单(Bill of Materials，BOM)重构编制三维装配指令，以期实现飞机装配工艺三维数字化设计。

1 飞机装配工艺的业务分析

    在飞机制造企业中，装配工艺设计是一个工作量大、技术难度高，并且影响飞机装配质量和装配工作效率的重要技术工作。传统的装配工艺设计过程：工艺规划人员以文字、简单图表以及二维图示方式描述工艺装配总方案，装配顺序图表，主要工艺分离面的划分及工艺设计的要求，形成装配协调方案；工艺设计人员根据方案提请相关工装设计，编写制造、装配指令，主管工艺员将所负责组件的详细工艺设计结果（装配指令）按架次定版，并打印二维装配指令、零件配套及标准件配套等。

    随着飞机设计部门已全面实现三维数字化设计和三维发图，传统装配工艺设计方式已无法满足现今的装配工艺设计与生产需要。工艺部门需构建一种基于三维化工艺设计与仿真验证的数字化集成应用环境，以支持与上游设计端应用系统的集成开发。三维数字化装配工艺设计技术，主要是通过客户化定制的数字化工艺设计系统提供的工艺规划模板、三维制造过程仿真验证技术、三维装配指令的输出、生产现场可视化技术等，贯通全机工艺布局的规划、组件工序设计、装配指令编制、装配仿真验证、现场查看三维指令等整个过程，在数字化工艺设计系统上，直接利用设计发放的三维零件模型，实现飞机整机划分大部件，大部件划分部件，部件细分为组件的整个过程。

    基于数字化工艺设计系统的装配工艺设计工作，对比传统的依靠经验进行划分，具有工作直观、调整方便等优点，并且能够随时进行装配仿真分析和验证，可减少装配工艺设计缺陷，三维数字化装配工艺设计技术已成为现代飞机研制中的重要技术手段。

2 装配工艺的三维数字化设计

    2.1 装配工艺设计系统环境的构建

    三维数字化装配工艺设计技术是在三维数字化设计、数字化制造、产品数据管理等技术基础上发展起来的新技术，三维数字化装配工艺设计依赖一体化的设计制造数字化环境。文中以某飞机制造企业为例，根据企业数字化装配系统架构要求，分析装配数字化系统需求，构建了装配工艺数字化设计系统环境架构，其系统数据流程如图1所示。

图1 系统数据流程图

    文中采用PTC公司Windchill系统作为企业级协同制造管理平台，管理各种BOM信息，其主要作用包括：①接收产品设计材料工程单(Engineering Bill of Material，EBOM)数据；②企业部数据二次发放；③制造数据管理；④物料计划单/物料工程单(Plan Bill of Material/Engineering Bill Of Material，PBOMlMBOM)构建；⑤工艺签审流程管理等。

    DELMIA涵盖飞机设计、制造及维护过程中的所有工艺过程，使用户能够利用三维设计模型即可完成产品工艺的设计与验证，因此，采用达索公司的DELMIA系统作为三维数字化装配工艺设计系统。DELMIA平台建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型(Product，Process and Resources Hub，PPR)上，可以在整个产品研发过程中持续不断的进行产品的工艺编制与验证。同时，可以实现与计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)等系统进行集成，有效的利用已经设计好的数据，并且可以使制造业的专业知识能被提取出来，让最佳的产业经验得以重复利用。

    CAPP系统目前作为航空企业工艺设计、工艺管理、流程审批等综合的工艺信息平台系统。主要作用包括产品工艺管理、综合工艺编制和管理、工艺设计数据解读、工艺数据管理、工艺卡片定制、二维环境编制流程文档，由于CAPP系统在航空企业的广泛应用，并以形成了成熟的业务流程；针对上述现状，三维数字化工艺系统仍选择以CAPP的工艺卡片为数据载体，业务流程按照原有的流程进行审签和发放。